銹蝕對(duì)輸電塔角鋼力學(xué)性能的影響

高 超,劉建軍,鄭逸川,吳佰建,儲(chǔ)昭杰

(1. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司，南京 210024； 2. 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司電力科學(xué)研究院，南京 211103；3. 東南大學(xué)，南京 211189)

輸電塔一般采用角鋼型材制成，長(zhǎng)期在戶外環(huán)境運(yùn)行，銹蝕是輸電塔常見的破壞形式[1-4]，由銹蝕引起的塔材失效呈逐年上升趨勢(shì)[5]，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失[6-7]。我國在役輸電塔有不少是在20世紀(jì)50～80年代投入使用的，這些在役輸電塔大多已出現(xiàn)了一定程度的銹蝕現(xiàn)象，對(duì)輸電線路的運(yùn)行造成了安全隱患[8]。目前，國內(nèi)外對(duì)輸電塔銹蝕的研究主要集中在銹蝕化學(xué)機(jī)理[9-12]、銹蝕檢測(cè)[13]和預(yù)防性防護(hù)[14-17]等方面，對(duì)輸電塔銹蝕后力學(xué)性能變化的研究仍相對(duì)缺乏，缺少可用于評(píng)估銹蝕對(duì)鐵塔安全性影響的定量方法，從損傷力學(xué)角度對(duì)銹蝕鐵塔的破壞機(jī)理、安全評(píng)估方法與判定標(biāo)準(zhǔn)的研究也不夠充分[18-23]。

本工作在引入構(gòu)件層次力學(xué)性能參數(shù)的基礎(chǔ)上，利用有限元方法，定量分析了4種常見銹蝕類型及銹蝕程度對(duì)輸電塔角鋼構(gòu)件力學(xué)性能的影響，為輸電塔的科學(xué)運(yùn)維提供了依據(jù)，也為進(jìn)一步研究銹蝕對(duì)鐵塔體系安全性影響提供了定量方法。

1 角鋼銹蝕損傷表征

1.1 表征參數(shù)

角鋼發(fā)生銹蝕后會(huì)導(dǎo)致力學(xué)性能劣化，原因是銹蝕后其截面形貌發(fā)生改變，導(dǎo)致與截面積和截面慣性矩相關(guān)的拉壓剛度、彎曲剛度、強(qiáng)度、失穩(wěn)壓力等力學(xué)性能指標(biāo)發(fā)生改變。根據(jù)損傷力學(xué)定義表征銹蝕損傷的宏觀指標(biāo)，定量評(píng)估銹蝕對(duì)角鋼構(gòu)件力學(xué)性能影響。

1) 剩余拉壓剛度Rt：

(1)

2) 剩余彎曲剛度Rb：

(2)

3) 剩余強(qiáng)度Rs：

(3)

4) 剩余失穩(wěn)壓力Rbu：

(4)

1.2 角鋼銹蝕的模型

根據(jù)在役輸電塔角鋼構(gòu)件的銹蝕情況，對(duì)角鋼構(gòu)件常見的幾種銹蝕類型建立了簡(jiǎn)化物理模型，并進(jìn)行了幾何表征，如表1所示。

1.3 角鋼銹蝕工況

輸電塔角鋼常用材料為碳素結(jié)構(gòu)鋼，本工作選取常用的Q235鋼，取彈性模量E為200 GPa，泊松比μ為0.3，尺寸為1 000 mm×50 mm×50 mm×5mm(長(zhǎng)×邊寬×邊寬×厚)。角鋼的具體銹蝕工況設(shè)計(jì)如表2所示，邊界條件設(shè)計(jì)如表3所示。

表1 輸電塔角鋼常見的銹蝕類型及物理模型Tab. 1 Corrosion types and physical models of angle steel for transmission tower

表2 角鋼銹蝕的設(shè)計(jì)工況Tab. 2 Design conditions of corrosion of angle steel mm

表3 角鋼銹蝕的邊界條件Tab. 3 Boundary conditions of corrosion of angle steel

2 結(jié)果與分析

2.1 孔狀銹蝕的影響

圖1為不同條件下孔狀銹蝕角鋼的力學(xué)性能。通過蝕孔直徑與角鋼邊寬的比值(以下稱蝕孔直徑比)表示蝕孔大小，研究其對(duì)孔狀銹蝕角鋼力學(xué)性能的影響。

由圖1(a)可知，當(dāng)蝕孔的軸向位置(z軸)分別為125 mm和500 mm時(shí)，孔狀銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度與蝕孔大小的關(guān)系曲線呈相似規(guī)律，這說明蝕孔軸向位置對(duì)拉壓剛度的影響不大；蝕孔直徑比小于40%時(shí)，孔狀銹蝕角鋼的拉壓剛度幾乎沒有損失；蝕孔直徑比超過40%后，拉壓剛度快速下降，蝕孔直徑比達(dá)80%時(shí)，孔狀銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度只有30%。

由圖1(b)可知，當(dāng)蝕孔的軸向位置為500 mm時(shí)，在純彎曲荷載下，蝕孔直徑比對(duì)角鋼彎曲剛度影響很小，不同蝕孔直徑比時(shí)，剩余彎曲剛度均高于0.9。這是因?yàn)榭谞钿P蝕角鋼肢邊的上下邊緣為抵抗彎曲的主要部分，而孔狀銹蝕對(duì)此部分的削弱較小，所以孔狀銹蝕對(duì)彎曲剛度的影響不大。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強(qiáng)度 (d) 剩余失穩(wěn)壓力圖1 不同條件下孔狀銹蝕角鋼的力學(xué)性能Fig. 1 Mechanical properties of angle steel with porous corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖1(c)可知，當(dāng)蝕孔的軸向位置為500 mm時(shí)，在單軸拉壓和純彎曲條件下，孔狀銹蝕角鋼的剩余強(qiáng)度均隨蝕孔直徑比的增大而下降；在單軸拉壓條件下，孔狀銹蝕角鋼的剩余強(qiáng)度都很小，即角鋼內(nèi)的最大應(yīng)力大，這表明即使發(fā)生很小尺度的孔狀銹蝕，角鋼內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象就已經(jīng)很嚴(yán)重，隨著蝕孔逐漸增大，剩余強(qiáng)度小幅下降，下降速率較慢；而在純彎曲載荷下，當(dāng)蝕孔很小時(shí)，剩余強(qiáng)度較大，當(dāng)蝕孔直徑比為20%時(shí)，角鋼的剩余強(qiáng)度接近1，說明此時(shí)角鋼內(nèi)部的最大應(yīng)力與未發(fā)生孔狀銹蝕角鋼的接近，角鋼內(nèi)部的集中現(xiàn)象不嚴(yán)重,但隨著蝕孔直徑比的增大，角鋼的剩余強(qiáng)度快速下降，表明角鋼內(nèi)部的應(yīng)力集中現(xiàn)象更加嚴(yán)重。

由圖1(d)可知，當(dāng)蝕孔的軸向位置為500 mm時(shí)，在不同蝕孔直徑比下，孔狀銹蝕角鋼的剩余失穩(wěn)壓力始終保持在1左右，這說明孔狀銹蝕對(duì)角鋼的失穩(wěn)壓力影響很小。

2.2 全面銹蝕的影響

不同條件下全面銹蝕角鋼的力學(xué)性能如圖2所示。用全面銹蝕前后角鋼截面面積差與銹蝕前截面面積的比值(以下稱減薄比)表示角鋼銹蝕減薄程度，研究了在全面銹蝕情況下其對(duì)角鋼力學(xué)性能的影響。其中，全面銹蝕分單個(gè)肢邊銹蝕(單邊減薄)和兩個(gè)肢邊銹蝕(雙邊減薄)兩種情況分析。

由圖2(a)可知，隨著減薄比的增大，全面銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度逐漸線性減小，且發(fā)生雙邊減薄角鋼剩余拉壓剛度的下降速率明顯大于單邊減薄的。當(dāng)減薄比為50%時(shí)，單邊減薄角鋼的剩余拉壓剛度約為0.7，而雙邊減薄角鋼的剩余拉壓剛度低于0.5。

由圖2(b)可知，在純彎曲載荷下，單邊減薄和雙邊減薄兩種情況下角鋼剩余彎曲剛度的下降趨勢(shì)相差不大，但減薄比相同時(shí)，彎曲剛度的損失比拉壓剛度的損失更大，這表明全面銹蝕對(duì)角鋼彎曲剛度的削弱更為嚴(yán)重。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強(qiáng)度 (d) 剩余失穩(wěn)壓力圖2 不同條件下全面銹蝕角鋼的力學(xué)性能Fig. 2 Mechanical properties of angle steel with general corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖2(c)可知，隨減薄比的增加，全面銹蝕角鋼的剩余強(qiáng)度基本呈線性下降趨勢(shì)，且在單邊減薄和雙邊減薄兩種情況下，降速相差不大。

由圖2(d)可知，在雙邊減薄情況下，全面銹蝕角鋼剩余失穩(wěn)壓力的下降速率明顯大于單邊減薄情況下的，當(dāng)減薄比超過70%，雙邊減薄角鋼的剩余失穩(wěn)壓力快速減小到0.2以下，這說明當(dāng)截面減小到一定程度時(shí)，剩余失穩(wěn)壓力減小的速率明顯加快。

2.3 局部區(qū)域性銹蝕的影響

不同條件下局部區(qū)域性銹蝕角鋼的力學(xué)性能如圖3所示。其中，用銹蝕長(zhǎng)度與角鋼長(zhǎng)度的比值(以下稱銹蝕長(zhǎng)度比)表示銹蝕長(zhǎng)度，考察了局部區(qū)域性銹蝕的兩個(gè)變量(銹蝕長(zhǎng)度和銹蝕深度)對(duì)角鋼力學(xué)性能的影響。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強(qiáng)度 (d) 剩余失穩(wěn)壓力圖3 不同條件下局部區(qū)域性銹蝕角鋼的力學(xué)性能Fig. 3 Mechanical properties of angle steel with regional corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖3(a)可知，在單軸拉壓下，隨著銹蝕長(zhǎng)度比的增加，不同銹蝕深度角鋼的剩余拉壓剛度均逐漸減??；當(dāng)銹蝕深度小于2.5 mm時(shí)，即使銹蝕長(zhǎng)度比達(dá)40%時(shí)，其剩余拉壓剛度仍高于0.5，當(dāng)銹蝕深度超過2.5 mm時(shí)，角鋼剩余拉壓剛度斷崖式下降，如銹蝕深度為3.0 mm和3.5 mm、銹蝕長(zhǎng)度比為15%時(shí)，其剩余拉壓剛度均低于0.3。

由圖3(b)可知，純彎曲載荷下，隨銹蝕長(zhǎng)度比和銹蝕深度的增加，角鋼的彎曲剛度均下降，但下降速率較單軸拉壓時(shí)更加平緩。此外還可以發(fā)現(xiàn)，角鋼剩余彎曲剛度與銹蝕長(zhǎng)度比基本呈線性下降關(guān)系，當(dāng)銹蝕深度達(dá)到3.5 mm，銹蝕長(zhǎng)度比為50%時(shí)，剩余彎曲剛度仍有45%。

由圖3(c)可知，在單軸拉壓和純彎曲兩種工況下，銹蝕角鋼的剩余強(qiáng)度減小趨勢(shì)基本一致，即使銹蝕深度僅為0.5 mm時(shí)，其剩余強(qiáng)度已經(jīng)降至0.4左右。

由圖3(d)可知，當(dāng)銹蝕深度不超過3.5 mm時(shí)，曲線基本呈線性下降趨勢(shì)，且下降趨勢(shì)較為平緩，銹蝕長(zhǎng)度比達(dá)65%時(shí)，其剩余失穩(wěn)壓力均高于0.5；但當(dāng)銹蝕深度達(dá)到4.0 mm時(shí)，其剩余失穩(wěn)壓力出現(xiàn)驟降，銹蝕長(zhǎng)度比為0.5%時(shí)，其剩余失穩(wěn)壓力低于0.3。

2.4 邊緣銹蝕的影響

不同條件下邊緣銹蝕角鋼的力學(xué)性能如圖4所示。考慮了肢邊邊緣銹蝕長(zhǎng)度和銹蝕寬度兩個(gè)銹蝕變量對(duì)角鋼力學(xué)性能的影響，其中銹蝕長(zhǎng)度同樣用銹蝕長(zhǎng)度比表示。

由圖4(a)和圖4(b)可知，隨著銹蝕寬度的增加，邊緣銹蝕角鋼剩余拉壓剛度和剩余彎曲剛度都逐漸減小，當(dāng)銹蝕寬度達(dá)20mm時(shí)，即使銹蝕長(zhǎng)度比僅為15%，兩種剩余剛度的值都低于0.5；隨著銹蝕長(zhǎng)度比的增加，兩種剩余剛度均呈下降趨勢(shì)，且下降速率逐漸減小。此外，在相同銹蝕寬度下，剩余彎曲剛度比剩余拉壓剛度低，這表明邊緣銹蝕對(duì)角鋼抗彎能力的削弱更為嚴(yán)重。

(a) 剩余拉壓剛度 (b) 剩余彎曲剛度

(c) 剩余強(qiáng)度 (d) 剩余失穩(wěn)壓力圖4 不同條件下邊緣銹蝕角鋼的力學(xué)性能Fig. 4 Mechanical properties of angle steel with edge corrosion under different conditions: (a) residual tensile and compressive stiffness; (b) residual bending stiffness; (c) residual strength; (d) residual buckling stress

由圖4(c)可知，在單軸拉壓和純彎曲兩種工況下，銹蝕寬度的增大，邊緣銹蝕角鋼的剩余強(qiáng)度均呈線性下降；銹蝕寬度較小時(shí)，剩余強(qiáng)度就已經(jīng)降至0.4以下，這表明角鋼內(nèi)部的最大應(yīng)力對(duì)邊緣銹蝕的寬度較敏感。

由圖4(d)可知，當(dāng)銹蝕長(zhǎng)度比小于30%時(shí)，不同銹蝕寬度下邊緣銹蝕角鋼的剩余失穩(wěn)壓力相差不大，且剩余失穩(wěn)壓力保持在0.6左右，幾乎不隨銹蝕長(zhǎng)度比變化；當(dāng)銹蝕長(zhǎng)度比繼續(xù)增大時(shí)，不同銹蝕寬度下角鋼的剩余失穩(wěn)壓力曲線呈現(xiàn)不同的下降趨勢(shì)，銹蝕寬度越大，其剩余失穩(wěn)壓力下降得越快。

3 結(jié)論

(1) 孔狀銹蝕幾乎不會(huì)影響角鋼的剩余彎曲剛度和剩余失穩(wěn)壓力；蝕孔大小是影響角鋼剩余拉壓剛度的主要因素，而蝕孔位置對(duì)角鋼剩余拉壓剛度影響不大；蝕孔一旦形成，無論大小，孔邊出現(xiàn)應(yīng)力集中，使角鋼的剩余強(qiáng)度降低至原有值的30%左右。

(2) 隨減薄比的增大，全面銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度、剩余彎曲剛度、剩余強(qiáng)度和剩余失穩(wěn)壓力均呈線性下降，當(dāng)減薄比超過臨界值時(shí)，剩余失穩(wěn)壓力會(huì)呈現(xiàn)加速下降趨勢(shì)；全面銹蝕角鋼彎曲剛度的損失程度大于拉壓剛度的損失程度。

(3) 局部區(qū)域性銹蝕角鋼的剩余拉壓剛度、剩余彎曲剛度和剩余失穩(wěn)壓力與銹蝕長(zhǎng)度和深度近似成反比關(guān)系；銹蝕深度2.5mm即超過板厚的50%時(shí)，角鋼的剩余拉壓剛度驟降；局部區(qū)域性銹蝕產(chǎn)生的應(yīng)力集中使角鋼的剩余強(qiáng)度降至原來的40%以下。

(4) 邊緣銹蝕角鋼的彎曲剛度損失大于拉壓剛度的損失；邊緣銹蝕所產(chǎn)生的應(yīng)力集中也會(huì)使得角鋼的剩余強(qiáng)度降低至原來的40%以下；銹蝕長(zhǎng)度比超過35%時(shí)，剩余失穩(wěn)壓力明顯下降。